Zagadnienia z geoinżynierii:
1.Podział metod geoinżynieryjnych
dynamiczne zagęszczanie gruntu
wymiana gruntu
zbrojenie ośrodka gruntowego i masywu skalnego
prekonsolidacja gruntu
uszczelnianie i wzmacnianie gruntu i skał
stabilizacja i izolacja gruntu i skał
2. Właściwości ośrodka gruntowego
Do podstawowych cech fizycznych gruntu zalicza się: wilgotność, gęstość objętościową i gęstość właściwą. W praktyce geotechnicznej przy wyznaczaniu naprężeń w podłożu gruntowym posługuje się najczęściej gęstością objętościową i gęstością właściwą. Cechy te oznacza się na podstawie nadań laboratoryjnych.
Znajomość podstawowych cech fizycznych gruntu jest niezbędna do obliczenia następujących cech fizycznych:
gęstości objętościowej szkieletu gruntowego,
porowatości,
wskaźnika porowatości,
wilgotności całkowitej,
stopnia wilgotności.
Znajomość tych cech jest również niezbędna do oznaczenia stanu gruntów sypkich przez wyznaczenie ich stopnia zagęszczenia oraz gruntów spoistych na podstawie obliczenia ich stopnia plastyczności.
Ośrodek gruntowy jest zbiorowiskiem oddzielnych ziaren i cząstek, między którymi istnieją pory, wypełnione najczęściej wodą zawierającą pęcherzyki powietrza.
Porowatość jest to właściwość skał wynikająca z występowania w skałach sypkich porów międzyziarnowych (porowatość intergranualna), a w skałach litych przestrzeni między kryształami po gazach uwięzionych w czasie krzepnięcia magmy (porowatość miarolityczna) oraz różnego kształtu kanalików,pęcherzyków i próżni, które łączą się ze sobą (porowatość gąbczasta).
W porach nadkapilarnych woda może się swobodnie poruszać pod wpływem siły ciężkości. W porach kapilarnych ruch wody może się odbywać w zasadzie jedynie w wyniku sił powstających na granicy dwóch różnych ośrodków, tj. skały i wody. Skały o porowatości subkapilarnej mogę jedynie chłonąć, nie mogą jednak jej przewodzić i oddawać.
Wielkość porów zależy od:
wielkości ziarn,
jednorodności uziarnienia
kształtu ziarn,
sposobu ich ułożenia.
stopnia wypełnienia porów spoiwem (lepiszczem)
Im większe są ziarna, z których zbudowana jest skała, tym większe sąpory.Skały o większej różnoziarnistości zawsze charakteryzują cię mniejszą porowatością niż równoziarniste, gdyż w utworach różnoziarnistych okruchy o mniejszych średnicach wchodzą między większe ziarna i tym samym zmniejszają objętość porów. Im więcej jest spoiwa w skale, tym mniejsza jest porowatość.
Przepuszczalność – zdolność skał do przepuszczania cieczy i gazów lub mieszaniny tych płynów. Jeśli cieczą przepływającą przez skały jest woda, to przepuszczalność taka nosi nazwę wodoprzepuszczalności. Przepuszczalność jest ściśle związana z porowatością, szczelinowatością i krasowatością masywu skalnego.
Współczynnik przepuszczalności kp ma wymiar pola, a podstawową jednostką jest m2. W warunkach przemysłowych przepuszczalność skał określa się jednostką Darcy(D).
Ruch cieczy w środowisku porowatym nazywamy filtracją. Prędkośćfiltracji charakteryzuje się za pomocą współczynnika filtracji kf . współczynnik filtracji jest miarą wodoprzepuszczalności skały określającą zgodnie z liniowym prawem Darcy’ego zależność między spadkiem hydraulicznym (grad P), a prędkością filtracji.
Współczynnik filtracji zależy od:
właściwości fiz-chem skały (rozmiar porów, ziarn, i ich formy, rodzaju lepiszcza, rozkładu ziarn, szorstkości…)
właściwości fizycznych cieczy przepływającej przez ośrodek porowaty (gęstości, lepkości,mineralizacji, temperatury…)
Wodochłonność lub nasiąkalność jest to zdolność do pochłanianiam i gromadzenia określonej ilości wody.zdolność ta wynika z istnienia w skale wolnych przestrzeni – porów czy też szczelin
Wyróżnia się kilka rodzajów wodochłonności: higroskopijną, kapilarną oraz całkowitą (ogólną) .
W przypadku całkowitego wypełnienia wszystkich wolnych przestrzeni w skale wodą, jej objętość jest równa objętości tych wolnych przestrzeni. Skała znajduje się wtedy w stanie całkowitego nasycenia wodą, która występuje poniżej swobodnego lub napiętego zwierciadła wody podziemnej.o całkowitej wodochłonności decyduje łączna objętość wolnych przestrzeni (pustek).
Na podstawie badań wodochłonności skał, można wnioskować zarówno o ich właściwościach fizycznych jak i również o skuteczności wykonywanych prac geoinżynieryjnych, biorąc równocześnie pod uwagę oddziaływanie ciśnienia filtracji ciśnienia jak i filtracji wody na skały.
3. Podział gruntów
Grunt rodzimy (macierzysty) – grunt w stanie naturalnym nie zaburzony działalnością człowieka.
Grunt antropogeniczny – grunt, którego ukształtowanie i położenie jest wynikiem działalności człowieka (hałdy, wysypiska, nasypy itp.)
Grunty bezglebowe – nazwa wprowadzona dla określenia między innymi wyrobisk górniczych (po eksploatacji kopalni mineralnych), zwałowisk (odpadów przemysłowych i komunalnych), które wykazują różnorodne właściwości fizyczne, mineralogiczne i biochemiczne.
Grunty budowlane – podłoże przejmujące ciężar budowli i utrzymujące ją w stałej równowadze; o klasyfikacji gruntów budowlanych decydują: nośność, kąt nachylenia powierzchni, poziom wody gruntowej, struktura fizyczna, skład ziarnowy i chemiczny.
Wg Polskiej Normy
skaliste
nieskaliste mineralne
nieskaliste organiczne
Grunty Skaliste są to grunty występujące w postaci litej lub spękanej o przesuniętych blokach ( najmniejszy wymiar bloku jest większy od 0,1m ), którego próbki nie wykazują zmian objętości ani nie rozpadają się ( rozmakają ) pod działaniem wody destylowanej i mają wytrzymałość na ściskanie Rc> 0,2 MPa. Pozostałe grunty rodzime lub autogeniczne, które nie spełniają powyższych wymagań zaliczane są do gruntów nieskalistych. Podział gruntów skalistych ze względu na spękania przedstawia tabela. Natomiast w tab. 2 podano podział gruntów skalistych ze względu na ich wytrzymałość.
Grunty Mineralne – stanowią grunty nieskaliste w których zawartość części organicznych (Iom) jest równa lub mniejsza 2%. Zawartość części organicznych w gruncie definiowana jest jako iloraz masy domieszek organicznych zawartych w próbce gruntu i masy szkieletu gruntu. W przypadku, gdy zawartość części organicznych w gruncie Iom >2% to takie grunty należą do gruntów nieskalistych organicznych.
Grunty Organiczne Biorąc za kryterium zawartość części organicznych i ich pochodzenie, rodzime grunty organiczne dzielą się na:
Grunty próchnicze, H – to takie grunty, ( nieskaliste ) w których zawartość części organicznych ( Iom > 2% ) i są one wynikiem wegetacji roślinne oraz obecności mikroflory i mikrofauny
Namuły, Nm są to grunty powstałe na skutek osadzania się substancji mineralnych i organicznych w środowisku wodnym, rozróżnia się :
-namuły piaszczyste Nmp, mające właściwości gruntu niespoistego -namuły gliniaste, Nmg, odpowiadające gruntom spoistym.
Gytie, Gy zaliczane są do namułów z zawartością węglanu wapnia > 5%
Torfy T
Węgle brunatne i kamienne Wb i Wk
Biorąc za kryterium uziarnienie, grunty nieskaliste mineralne dzielą się na :
Kamieniste
Gruboziarniste
Drobnoziarniste
Biorąc za kryterium spoistość gruntów nieskalistych :
Grunty spoiste
Grunty niespoiste ( sypkie )
Do gruntów spoistych należą grunty mineralne jak i organiczne. Charakteryzują się one wskaźnikiem plastyczności Ip > 1% i wykazują w stanie wysuszonym stałość kształtu bryłek przy naprężeniach większych od 0,01 MPa. Minimalny wymiar bryłek nie może być przy tym mniejszy niż 10-krotna wartość maksymalnej średnicy ziaren.
4. Metody geoinżynieryjne modyfikujące właściwości fizyczno-mechaniczne ośrodka gruntowego
dynamiczne zagęszczanie gruntu
wymiana gruntu
zbrojenie ośrodka gruntowego i masywu skalnego
przepony geotekstyliów
prekonsolidacja gruntu
iniekcja otworowa
ścianki szczelne
ścianki szczelinowane
mrożenie gruntu
wyżarzanie gruntu
a.) Dynamiczne zagęszczenie gruntu polega na stosowaniu takich zabiegów inżynierskich, w wyniku których uzyskuje się znaczne zmniejszenie przepuszczalności oraz porowatości masywu skalnego. Efekt ten można uzyskać przez stosowanie metod :
Wibracyjnych
Impulsowych
Zagęszczenie gruntu impulsami.
Metoda konsolidacji dynamicznej ( ciężkie ubijanie ) jest uważana za jedną z efektywniejszych metod. Gdyż jest tańsza i prostsza w wykonawstwie niż np. wibracja. Pale zagęszczające czy dodatkowe stateczne obciążenie gruntu. Dynamiczną konsolidację można stsować zarówno w budownictwie lądowym i morskim ( podwodne też ). Polega ono na zmianie parametrów mechanicznych gruntu przez bardzo intensywne ubijanie jego powierzchni stalowym lub stalowo-betonowymi ubijakami o masie 10-40 ton, opuszczonymi swobodnie z wysokości 10-40 metrów. Zagęszczenie prowadzone jest w kilku cyklach., Odstęp między cyklami w gruntach gruboziarnistych wynosi kilka dni, a w gruntach drobnoziarnistych dochodzi do kilku tygodni. Przed każdym cyklem powierzchnia gruntu jest wyrównywana.
Czas uderzeń 1 do 3 uderzeń na minutę. W odległości 5-15 m w jednym miejscu 3-8 uderzeń. Całą operację konsolidacji przeprowadza się w kilku etapach stopniowo zmniejszając odległość miejsc uderzeń ubijaka oraz wysokość jego spadku. Ostatni etap polega na wyrównaniu powierzchni podłoża przez ubijanie gruntów z wysokości 1-2m. Przy rozstawie mniejszym od szerokości ubijaka.
Uzyskiwany stopień wzmocnienia zależy od rodzaju i stanu umacnianego gruntu, rozmieszczenia punktów zagęszczania. Liczy cykli, okresu przerw między cyklami oraz parametrów ubijaka i wysokości jego spadku. Zwiększenie nośności 2-4 razy i 2krotne zmniejszenie jego ściśliwości. W warunkach lądowych w pobliżu terenu zabudowanego nie należy jej stosować. Miąższość zagęszczonego gruntu 3-20m.
Zagęszczenie gruntu metodą wybuchową.
Ma niewielkie zastosowanie, służy przede wszystkim do wzmacniania gruntów pod wodą. 2 sposoby :
Strzelanie ładunkami zanurzonymi w wodzie ponad gruntem
Strzelanie ładunkami wewnątrz otworów wiertniczych
Wibracyjne metody zagęszczania gruntu mają wiele zalet, takich jak:
Dobrze opanowane pod względem technicznym uniwersalne i elastyczne w zastosowaniu
Czas wykonywania robót jest krótki
Umożliwia dalsze prace budowlane niemalże równolegle ze wzmacnianiem podłoża.
Względnie niską cenę za wzmocnienie podłoża.
W podłoże wbudowywane są jedynie naturalne materiały mineralne.
b.) Wymiana gruntu.
-płytka:
Poduszki piaskowe
Wbijanie sztuczne
Poduszki żwirowe
Pełna wymiana
-głęboka :
Pale piaskowe
Pale gruntowe
Pale żwirowe
Słupy kamienne (kolumny)
Wgłębne mieszanie gruntu
Warstwy gruntu słabego zastępuje się warstwą drobno zagęszczonego piasku lub żwiru. Metoda ta jest ekonomicznie uzasadnia nona wtedy, gdy występuje nieznaczna miąższość warstwy słabej. A pod nią znajduje się warstwa o dostatecznej nośności.
Płytka wymiana
Poduszki piaskowe i żwirowe. Wymiana słabej warstwy na piasek lub żwir jest często najłatwiejszym sposobem wzmacniania podłoża z uwagi na niską cenę materiału wymiennego. Dodatkowo grunty te spełniają rolę. Warstwy filtrującej wodę gruntową. Poduszki piaskowe układa się warstwami o grubości 0,15-0,2m z mechanicznym ubijaniem lub wibrowaniem. Stosowany piasek powinien być wilgotny, różnoziarnisty średnio i gruboziarnisty i bez domieszek części gliniastych i organicznych.
Pale piaskowe
W technologii gubionego stożka pod dojście do warstwy o większej nośności do rury wprowadza się piasek a rurę podciąga się. W otworze pozostaje but. Rozstaw pali piaskowych oraz ich średnice powinny być ustalone w zależności od wymaganego modułu sprężystości podłoża po zagęszczeniu gruntów.
Pale rozmiesza się na planie kwadratu lub trójkąta . Liczba projektowanych szeregów pali w kierunku podłużnym jak i poprzecznym powinna wynosić więcej niż 3. Oś skrajnego szeregu pali powinna być oddzielona od krawędzi bocznej fundamentu na odległość 0,1B, gdzie B = szerokość fundamentu >0,5m
Przy dogęszczaniu ośrodka gruntowego w planie kwadratu przy 4 palach dogęszczanie wynika z objętości 1 walca. Natomiast przy rozstawie w trójkąt równoboczny dogęszczanie ośrodka gruntowego z połowy objętości walca.
Wadą poduszek żwirowych jest łatwość z jaką ulegają zamuleniu. Poduszki żwirowe wykonuje się na ogół o ścianach prawie pionowych. Kiedy nie należy stosować poduszek piaskowych i żwirowych :
poziom wód gruntowych jest zmienny;
gdy w granicach założenia poduszki piaskowej istnieje woda pod ciśnieniem co może doprowadzić do przemarzania i pęcznienia w okresie zimowym
Wbijanie tłucznia
Stosowany tłuczeń powinien być ostrokanciasty o wymiarach 8-10cm, czysty bez piasku i innych domieszek szczególnie organicznych. Wbijanie tłucznia nie powinno doprowadzać do miażdżenia materiału. Technologia ta może być stosowana do zagęszczania słabych gruntów o miąższości do 0,3m.
Pale Gruntowe.
Wykonuje się wprowadzając żwir, tłuczeń w wykonany otwór z jednoczesnym podciągnięciem rury i ubijaniem wprowadzonego materiału.
Wgłębne mieszanie gruntu.
Stosuje się przeważnie w warunkach morskich budowli hydrotechnicznych. Na specjalnych pontonach instaluje się mieszadła zakończone skrzydełkami. Mieszanie gruntu polega na opuszczeniu i podnoszeniu obracającej się żerdzi, mieszadła przy jednoczesnym pompowaniu składnika stabilizującego ( cement i wapno gaszone ) przez otwory w mieszadle. W jednym cyklu pracy mieszadła ( wpuszczenie i podnoszenie żerdzi) uzyskuje się polepszenie gruntu. Metoda odznacza się dużą skutecznością, prace są prowadzone szybko z minimalnym naruszeniem obszarów sąsiednich.
5. Zadania geotekstyliów
Geosyntetykami nazywa się wyroby, w których chociaż jeden składnik wykonany jest z syntetycznego lub naturalnego polimeru a to w postaci paska, pasa lub struktury trójwymiarowej. Stosuje się go w kontakcie z gruntem lub innymi materiałami, przy pracach ziemnych i budowlanych. Materiały geosyntetyczne charakteryzują się znaczną wytrzymałością i zdolnością przewodzenia wody, dzięki czemu można rozróżnić geosyntetyki zbrojące i hydrotechniczne oraz mające cechy obu tych rodzajów. Wykonywane są z materiałów trwałych, odpornych na gnięcie, środowisko agresywne oraz niejadalnych przez zwierzęta. Takimi materiałami są tworzywa polimeryczne : poliestrowe, polipropylenowe, polietylenowe, poliamidowe, najczęściej wykorzystywane do produkcji geomateriałów. W konstrukcjach inżynierskich w zależności od zastosowania mogą spełniać różne funkcje mechaniczne, hydrauliczne i biologiczne.
6. System komórkowy Geoweb
System ten został opracowany i wdrożony do użytku w końcu lat siedemdziesiątych przez Korpus Inżynierski Armii Stanów Zjednoczonych oraz Presto Products Co. Podstawowym elementem systemu są sekcje Geoweb. Pojedyncza sekcja składa się z elastycznych taśm polietylenowych (PEHD) o grubości 1,27 – 1,8 mm, szerokości 76, 102, 152 lub 203 mm i zwykłe o długości 3,4 m. Taśmy tworzące sekcje są wzajemnie połączone ultradźwiękowymi zgrzeinami tak, że w pozycji rozłożonej zbliżone są z wyglądu o plastra miodu. Kompletny system Geoweb obejmuje sekcje, materiały wypełniające, linki kotwowe, kotwy, zszywki, geotekstylia, biowłókniny, materiały drenażowe, geosiatki wzmacniające oraz geomembrany. Teksturowanie ( nadanie szorstkości ściankom )powoduje wzrost tarcia między ścianką i wypełnieniem. Jest to szczególnie korzystne w przypadku wypełnienia systemu materiałami ziarnistymi i betonem. Perforacja ścianek powoduje znaczny wzrost tarcia w przypadku gruboziarnistych materiałów wypełniających przy zapewnieniu bocznego odwodnienia.
Wytrzymałość systemu Geoweb wynika z wytrzymałości na ścinanie oraz wzrostem sztywności. Podniesienie wytrzymałości wynika z wytrzymałości obwodowej ścian komórki, biernego oporu przylegających komórek oraz od wzajemnego oddziaływania sił tarcia pomiędzy materiałem wypełniającym a ścianami komórki.
Komórkowe ograniczenie w systemie Geoweb stanowi odkształcalne ograniczenie i działa jak seria połączeń dynamicznych.
Gabiony są prostopadłościennymi koszami, wykonanymi z podwójnie skręconej siatki stalowej galwanizowanej cynkiem lub cynkiem i aluminium. Gabiony dostarcza się na budowę całkowicie gotowe i złożone na płasko na czas transportu. W miejscu wbudowania wypełnia się je otoczakami, kamieniami łamanymi lub innym kruszywem. Siatki produkuje się i formuje w elementy skrzyń lub walców metodami przemysłowymi. Kosze, walce i materace różnią się między sobą kształtem koszy ( wysokością, długością i szerokością)
Kosze gabionowe są podstawowym elementem budowy umocnienia gabionowego, a zwłaszcza wszelkich murów oporowych wykonanych z gabionów.
Podstawowy wymiar siatki stosowany do budowy gabionu ma wymiary 80 x 00 mm ( kamień użyty powinien mieć wymiary nie mniejsze niż oczka siatki ). Dodatkowo kosze gabionowe mają pośrednie ścianki działowe średnio co 1 m wzmacnia to konstrukcje kosza i ułatwia montaż gabionu. Bardzo istotną cechą siatki, z której wykonuje się gabiony jest jej podwójny splot. Ten właśnie szczegół powoduje, że przecięcie pojedynczych drutów, z których spleciona jest siatka i wykonamy z niej kosz nie stwarza żadnego niebezpieczeństwa rozprzestrzenieniania się uszkodzenia.
Zastosowanie :
Podłużne opaski brzegowe cieków
Progi, stopnie i przegrody wodne
Zabezpieczenie przeciwerupcyjne
Zabezpieczenie nasypów
Mury oporwe
Konstrukcja podpór
Grodzie
Mala, pirsy, nabrzeża
Wykonywanie murów oporowych i stabilizacji stromych skarp
Ekrany akustyczne
Zalety:
Przepuszczalność – nie powodują retencji wody na budowę
Elastyczność – odkształcenia i osiadanie nie powoduje spękań
Pochłanianie hałasu
Trwałość – odporne na temp i promieniowanie UV
Łatwość montażu